La química orgánica, una de las disciplinas científicas más agotadoras, está lista para volverse mucho más fácil. Hace seis años, un equipo de químicos creó un sistema robótico que podía construir una amplia variedad de moléculas orgánicas, incluidos posibles productos farmacéuticos, tintes y perfumes. Pero la configuración tenía capacidades limitadas: podía construir moléculas planas (cadenas o anillos 2D), pero no podía hacer nada en 3D, lo que requieren muchos medicamentos y materiales.
Ahora, 3D ha llegado. El equipo informa esta semana que ha reelaborado su diseño para sintetizar moléculas orgánicas en 3D, lo que permite configuraciones automatizadas para construir la mayoría de las moléculas ahora ensambladas minuciosamente por químicos orgánicos en el laboratorio.
“Es un logro histórico”, dice Timothy Cernak, químico médico de la Universidad de Michigan, Ann Arbor, que no participó en el trabajo. “Este ha sido un santo grial para la química durante mucho tiempo”.
Los robots han revolucionado previamente la fabricación de ADN, ARN y proteínas cortas. El progreso fue rápido porque en cada caso, estos llamados biopolímeros se unen a partir de un número relativamente pequeño de bloques de construcción que pueden unirse formando el mismo enlace químico.
Ese no es el caso de las moléculas orgánicas pequeñas, las que se necesitan para medicamentos y muchas otras aplicaciones, que utilizan una variedad de condiciones de reacción, catalizadores, reactivos, etc. para forjar enlaces entre diferentes átomos y en diferentes ángulos y orientaciones. En lugar de comportarse como vagones de un tren, todos unidos por una conexión similar, las moléculas orgánicas se parecen más a la fabricación de muebles artesanales con una variedad de técnicas de carpintería para unir piezas de madera de forma irregular en la arquitectura deseada.
Como resultado, la química orgánica sintética ha permanecido abierta solo para aquellos con años de experiencia en el oficio. “Estamos tratando de cambiar eso”, dice Martin Burke, químico de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign.
Él y sus colegas comenzaron este camino en 2015 al crear una máquina capaz de sintetizar una amplia gama de compuestos orgánicos. Para hacerlo, comenzaron con una amplia variedad de bloques de construcción químicos de diferentes formas, cada uno con dos enlaces químicos, uno llamado MIDA que está unido a un átomo de carbono, el otro llamado boronato que está unido a un carbono diferente. Luego, la máquina canaliza los reactivos secuencialmente de modo que el MIDA en el primer bloque de construcción se una con el boronato en el segundo. Los enlazadores MIDA y de boronato se eliminan a medida que los átomos de carbono a los que estaban unidos se unen entre sí. El MIDA del segundo bloque de construcción luego se conecta con el boronato en el tercero, uniendo sus átomos de carbono, y así sucesivamente, hasta que se completa la molécula deseada.
La configuración permitió la creación de muchos compuestos orgánicos similares a las drogas. Desde ese artículo inicial, más de 250 laboratorios académicos e industriales han utilizado la química del boronato MIDA para sintetizar nuevas moléculas que han generado más de 750 publicaciones y 200 solicitudes de patentes, dice Burke.
Pero el enfoque no ha funcionado para todo. Esto se debe a que el vínculo entre el MIDA en un bloque de construcción y el boronato en el otro casi siempre crea un «sp2-sp2” enlace, que une dos átomos de carbono y los átomos unidos a ellos en un solo plano. “La naturaleza no es plana”, dice Cernak. “Vive en 3D”. Innumerables moléculas orgánicas, desde antibióticos hasta perfumes, incluyen enlaces, llamados sp3 enlaces, en los que algunas de las uniones de los dos carbonos sobresalen del plano en el que se encuentran los carbonos, de forma similar a como las patas de un taburete descienden en tres direcciones desde el asiento.
Burke y sus colegas intentaron usar conectores de boronato MIDA para forjar sp3 cautiverio. Pero hacer ese vínculo requiere reactivos más duros, que terminaron arrancando los grupos MIDA de los componentes básicos, provocando una cascada de reacciones químicas incontroladas que crearon una amplia mezcla de subproductos en lugar de solo el compuesto objetivo.
El equipo ahora ha resuelto este problema al descubrir un pariente de MIDA, conocido como TIDA. Los enlazadores TIDA son hasta 1000 veces más estable que los enlazadores MIDAlo que les permite soportar los reactivos más duros necesarios para construir sp3 bonos, Burke y sus colegas informan esta semana en Naturaleza.
Con los conectores TIDA-boronato en la mano, el equipo usó su sintetizador molecular para crear dos productos naturales complejos, un antibiótico llamado ieodomicina C y un compuesto antifúngico llamado sch725674. Ambos contienen lo que se conoce como centros quirales, en los que los elementos están dispuestos en solo una de dos orientaciones distintas de imagen especular. Dichos centros quirales son clave para la función de muchas drogas y otros compuestos orgánicos.
Ahora, Burke dice que el desafío es crear bibliotecas de bloques de construcción que contengan TIDA y enlazadores de boronato para que los fabricantes de moléculas puedan ensamblarlos a voluntad. “Queremos que los no especialistas puedan crear moléculas con solo presionar un botón”, dice.
Burke ahora está en conversaciones con compañías químicas para suministrar tales bibliotecas, y está trabajando para comercializar su configuración automatizada, para que los laboratorios de todo el mundo puedan usarla. Él dice que también está trabajando con colegas para crear software de inteligencia artificial para idear compuestos orgánicos novedosos como posibles nuevos medicamentos. “Si se convierte en un juego de niños crear nuevas moléculas, el cuello de botella se convierte en imaginación”.
